使用高速同步采樣ADC精確捕獲伺服電機(jī)位置

自主無(wú)人機(jī)和機(jī)器人利用快速、高分辨率、更小的電機(jī)。這些快速旋轉(zhuǎn)的微型電機(jī)需要更多的微型編碼器和小型化IC封裝尺寸。本文介紹了光學(xué)正弦編碼器如何通過(guò) 2mm x 3mm 雙通道同時(shí)采樣 SAR-ADC 提供更高的分辨率和更高的速度。

介紹

從生產(chǎn)車間到自主無(wú)人機(jī)，機(jī)器人就在我們身邊，利用快速、高分辨率、更小的電機(jī)。這種快速旋轉(zhuǎn)的微型電機(jī)需要微型編碼器和小型化 IC 封裝尺寸。

所有這些設(shè)計(jì)規(guī)范似乎是相互排斥的;例如，更快的信號(hào)編碼器轉(zhuǎn)換通常會(huì)損害分辨率。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭焖傩D(zhuǎn)的電機(jī)不斷需要互補(bǔ)的采樣速度。機(jī)器人執(zhí)行的基本任務(wù)是運(yùn)動(dòng)和傳感，編碼器中具有高分辨率和快速轉(zhuǎn)換速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是其功能的核心。

本文簡(jiǎn)要討論了與為速度更快的旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小型高精度電機(jī)編碼器相關(guān)的問(wèn)題。本文介紹了一款具有雙通道同時(shí)采樣、逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR-ADC）的編碼器，以及如何利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和雙通道同時(shí)采樣輸入級(jí)。

電機(jī)編碼器

增量編碼器是一種機(jī)電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。它有兩個(gè)輸出信號(hào)，A和B，指示運(yùn)動(dòng)方向和行進(jìn)距離。這些信號(hào)共同決定了方向和速度。來(lái)自編碼器的第三個(gè)信號(hào)確定電機(jī)的位置。

增量編碼器有兩種類型是線性編碼器和旋轉(zhuǎn)編碼器。線性編碼器在單個(gè)維度或方向上移動(dòng)物品，并將線性位置轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器繞軸移動(dòng)物品，并將旋轉(zhuǎn)位置或角度轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。每個(gè)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于軸的恒定角度變化。電機(jī)通常使用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)執(zhí)行方向、速度和位置跟蹤（圖 2）。

圖2.電機(jī)有效地利用旋轉(zhuǎn)編碼器，量化電機(jī)的方向、速度和位置。

兩種常見(jiàn)的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器具有數(shù)字或正弦信號(hào)輸出。數(shù)字增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在磁盤上具有輸出 50% 占空比、高或低數(shù)字信號(hào)的模式。

數(shù)字編碼器

光學(xué)數(shù)字編碼器通過(guò)電機(jī)輪的插槽傳輸光線。光接收機(jī)在光線出現(xiàn)時(shí)記錄高數(shù)字輸出，在黑暗中記錄低數(shù)字輸出（圖 3）。

圖3.顯示通道A和通道B的光學(xué)數(shù)字編碼器，其中通道B復(fù)制通道A信號(hào)鏈。

在電機(jī)輪的另一側(cè)，光電二極管（圖3）和跨阻放大器檢測(cè)數(shù)字光脈沖。跨阻放大器的接口通過(guò)低輸入 0.5pA 輸入偏置電流和 5nV/√Hz @ 1kHz 低噪聲補(bǔ)充光電二極管。通道A和B中的信號(hào)通過(guò)各自的比較器到達(dá)微控制器，微控制器捕獲最終的數(shù)字事件。通道A和B排列的關(guān)鍵是微控制器同時(shí)鎖存這兩個(gè)信號(hào)。

在圖3中創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的TIA電路以消除不確定性非常重要。反饋電阻（RF）和反饋電容（CF） 與放大器的輸入電容（C微分+ C歐蒙模式= C放大 器）和光電二極管寄生電容（C帕金森).最高效的TIA電路是具有65°相位裕量、巴特沃茲響應(yīng)的電路。該相位裕量幅度產(chǎn)生5%的階躍響應(yīng)過(guò)沖。公式1顯示了模擬巴特沃茲響應(yīng)的TIA計(jì)算。

CF= 2* （（C帕金森+ C放大 器） /（2 π RFf英鎊）） - C射頻

其中 f英鎊是單位增益穩(wěn)定放大器和C的增益帶寬乘積射頻是寄生射頻電容。

公式1允許電路設(shè)計(jì)人員改變放大器帶寬/輸入電容以及反饋電阻值。有關(guān) TIA 穩(wěn)定性的更多信息，請(qǐng)參閱 TIA 基礎(chǔ)知識(shí)：噪聲傳遞函數(shù)第 4 部分。

在圖 3 中，兩個(gè)光通道 A 和 B 收集電機(jī)的方向和速度數(shù)據(jù)。為了測(cè)量方向，光學(xué)器件的位置和每個(gè)光學(xué)輪窗口之間的距離在A和B方波之間建立了90度相位。電機(jī)方向與相位角的符號(hào)有關(guān)。如果 A 通道的上升沿先于 B 通道的上升沿，則相位差為正（圖 4.a）。

圖4.編碼器同時(shí)捕獲數(shù)字通道A和通道B信號(hào)。

如圖4.b所示，如果A通道的上升沿跟隨B通道的上升沿上升沿，則相位差為負(fù)。

A或B方波的頻率決定了電機(jī)速度。

圖 3 中的機(jī)械結(jié)構(gòu)在一個(gè)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生多個(gè)周期。編碼器制造商生產(chǎn)的增量式數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器（和增量正弦/余弦旋轉(zhuǎn)編碼器）每轉(zhuǎn) 50 到 5，000 個(gè)周期。

除了數(shù)字信號(hào)外，車輪上還有一個(gè)參考標(biāo)記，用于確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置。設(shè)計(jì)工程師將參考標(biāo)記稱為 360 度電機(jī)輪周長(zhǎng)的 0° 角。數(shù)字脈沖參考標(biāo)記計(jì)數(shù)決定了電機(jī)的確切旋轉(zhuǎn)位置。

正弦編碼器

增量式正弦編碼器還提供運(yùn)動(dòng)方向和行進(jìn)距離，并帶有一對(duì)正交正弦和余弦信號(hào)。該編碼器的輸出不是數(shù)字輸出，而是正弦波和余弦波，以更高的速度提供更高的分辨率和運(yùn)動(dòng)距離。

這種類型的編碼器有三個(gè)信號(hào)：正弦、余弦和參考脈沖（圖 5）。

圖5.正弦信號(hào)由正弦波和余弦波組成，編碼器同時(shí)對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣。

模擬正弦編碼器需要一個(gè)全模擬信號(hào)鏈。從正弦編碼器信號(hào)中提取可靠的位置和速度信息具有一定的模擬信號(hào)預(yù)調(diào)理。在ADC的第一個(gè)輸入端，將SIN和COS信號(hào)（通常為1Vpp輸入信號(hào)范圍）轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。差分信號(hào)可確保最大的抗擾度，并提供適當(dāng)放大和電平轉(zhuǎn)換所得單端SIN和COS信號(hào)的機(jī)會(huì)，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入級(jí)做準(zhǔn)備。

每轉(zhuǎn)都有多個(gè)信號(hào)周期。產(chǎn)生的正弦/余弦頻率取決于信號(hào)周期數(shù)和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。例如，下面的等式顯示了編碼器的正弦/余弦頻率，該編碼器一轉(zhuǎn)有4，096個(gè)周期，電機(jī)以每分鐘1，400轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)（公式2）：

在本例中，信號(hào)鏈解決方案帶寬至少為1600kHz。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)需要極低的零延遲，而雙通道同步采樣ADC可提供這種零延遲。編碼器輸出為 1 VP-P（典型值），具有差分正弦和余弦輸出信號(hào)。

模擬信號(hào)鏈要求如下：

兩個(gè)同步采樣ADC：ADC1提供正弦輸出，ADC2提供余弦輸出。

無(wú)系統(tǒng)延遲：最好是SAR（逐次逼近寄存器）轉(zhuǎn)換器（相對(duì)于ΔΣ或流水線轉(zhuǎn)換器）

超過(guò)800 kHz的帶寬，因此ADC以大于每通道1600 ksps的最小速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足奈奎斯特定理。

2-5P-P差分輸入。

最佳解決方案是雙通道同步采樣 SAR ADC（圖 5）。

圖6.輸入頻率為800 kHz的雙通道同步采樣2 Msps ADC通過(guò)電機(jī)線圈正弦信號(hào)確定電機(jī)的方向和速度。

在圖6中，兩個(gè)單電源運(yùn)算放大器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)全差分ADC。ADC的外部1.2V基準(zhǔn)電壓源為16位轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)穩(wěn)壓良好的基準(zhǔn)點(diǎn)。通過(guò)兩個(gè)同步采樣通道，ADC的每通道輸出數(shù)據(jù)速率為2 Msps，可滿足規(guī)定的要求。

在本例中，2mm x 3mm TDFN MAX11198為16位ADC，正弦增量式旋轉(zhuǎn)編碼器一轉(zhuǎn)4，096個(gè)周期。測(cè)量步驟總數(shù)的計(jì)算公式為（公式3）：

這種方法為設(shè)計(jì)人員提供了 16 位 ADC 分辨率和 4096 周期 （4096 = 212） 表示 16 + 12 或 28 位分辨率或 1.341 × 度以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)位置精度。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)要討論了與為速度更快的旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小型高精度電機(jī)編碼器相關(guān)的問(wèn)題。本文介紹了一款具有雙路同時(shí)采樣SAR-ADC的編碼器，并探討了如何利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和雙路同時(shí)采樣輸入級(jí)。

電機(jī)控制反饋路徑中有兩種典型的編碼器實(shí)現(xiàn)方式：線性和旋轉(zhuǎn)。我們 從 模擬 信號(hào) 鏈 角度 評(píng)估 了 增量 式 數(shù)字 和 正弦 輸出 的 輸出 信號(hào) 特性， 確保 信號(hào) 完整性 和 最佳 性能。

光學(xué)數(shù)字編碼器提供高分辨率。但是，光學(xué)正弦編碼器以更高的速度提供更高的分辨率。

審核編輯：郭婷